4-3电介质物理(6-7)
电介质物理及其应用-极化和介损部分
充介质时有：
E
,E 0 d 0
C
s
Eds (q + q ) / 0
E Ed E0 0 U 0 0 d
其中q为自由电荷，q′为极化电荷
q ds Pds
s s
s
Eds (q
d
电介质的极化
电介质的极化类型
1.极化形成的四种主要情况
1）电子位移极化 2）离子位移极化 3）热离子极化 4）转向极化 5）界面极化
又称为Maxwell-Wagner极化。 与其它几种极化机制不同：不是由束缚或弱缚离子的 位移或转向引起，而是由自由电荷的移动（电荷分布 不均）产生宏观偶极矩。
U
1， 1 2， 2
3
2016/4/21
电介质的极化
电介质的极化
1.电子位移极化及电子极化率αe 1)电子位移极化
F 1 4 0
Ei=0
Ei
2.离子极化及离子极化率αa 1)离子极化
qEi k x
Ei
x
μe
Ze Ze
4 x 3 3 3 2 2 4 a 3 Z e x ZeE i 2 4 0 a 3 x
b为常数，n=7~11
u x ＝a ＝0 x
b
a n 1q 2 n
特点：①μe不是原子固有，在Ei作用下感应； ②所有介质在电场作用下均会产生电子极化； ③极化建立时间很短，约为10-15~10-16s;
没有外电场时，离子处于平衡位置，x＝a，
则有： u x
q2 a n 1q 2 4 0 x 4 0 nx n
α—极化率，单位是Fm2，
2014级硕士公共课课表-应科院
周三
周四
周五
周六
周日
1-4节
功能材料物理基础(2-10周）
（迟庆国）纳米楼403/104
薄膜结构X射线表征（11-19周）
（迟庆国）纳米楼403/104
5-6节
高等固体物理（11-19周）
（杨文龙）3-112
高聚物的结构与性能（11-19周）
（何丽娟）新-C1001
7-8节
上午第1节课开始时间为8:10。第3节课为10:10分。下午第5节课为13:30。第7节课为15:20
（王东兴）3-506
微电子工程（2-10周）
（曹一江）新-A512
3-4节
5-6节
微电子封装工程（2-10）周
（贺训军）新-A312
信息材料与器件（2-10周）
（殷景华）3-506
7-8节
上午第1节课开始时间为8:10。第3节课为10:10分。下午第5节课为13:30。第7节课为15:20
2014级物理学硕士研究生第一学期课程表
2014级数学硕士研究生第一学期课程表
周一
周二
周三
周四
周五
周六
周日
1-2
泛函分析（2-14周）（左明霞）新-B404
代数学（2-14周）（巩英海）新-B404
3-4
5-6
拓扑学（2-10周）
（赵辉）新-A412
7-8
2014级电科硕士研究生第一学期课程表
周一
周二
周三
周四
周五
周六
周日
1-2节
有机光电材料与器件（2-10周）
周一
周二
周三
周四
周五
周六
周日
1-2节
电介质物理_西安交通大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年
电介质物理_西安交通大学中国大学mooc课后章节答案期末考试题库2023年1.非线性光学效应仅存在于光强很高的情况答案:正确2.BaTiO3为位移型铁电体。
答案:正确3.电畴的形成是系统自由能取极大值的结果。
答案:错误4.铁电体中电畴不能在空间任意取向，只能沿晶体的某几个特定晶向取向，电畴所能允许的晶向取决于该种铁电体原型结构的对称性，即在铁电体的原型结构中与铁电体极化轴等效的晶向。
答案:正确5.自由晶体受热时热释电效应是第一类效应和第二类效应之和答案:正确6.热释电材料和铁电材料属于压电材料。
答案:正确7.经过极化处理后，铁电体的剩余极化强度是不稳定的且随时间而衰减，从而造成其介电，压电，热释电性质发生变化，这种现象就是铁电体的陈化。
答案:正确8.自发极化能被外电场重新定向的热释电晶体就是铁电体；铁电体的电畴结构受铁电体原型结构对称性的限制。
答案:正确9.铁电体的表观特征是具有电滞回线，描述了极化强度和电场强度之间的滞后关系，从该曲线可以直观观察到的两个物理量是剩余极化和矫顽场。
答案:正确10.具有自发极化的晶体称为热释电体，在温度变化时可以释放电荷，该效应与电卡效应互为逆效应。
答案:正确11.自发极化只存在具有单一极轴的点群中，共有21种。
答案:12.沿x3轴极化的压电陶瓷通过坐标变换后，有哪些独立分量（）答案:13.以下哪个材料不是铁电体或反铁电体材料（）答案:Al2O314.室温下将铁电四方BaTiO3陶瓷极化，其饱和极化强度与晶体自发极化强度的关系是（）。
答案:15.沿x3轴极化的压电陶瓷的弹性柔顺系数的独立分量为：s11、s12、s13、s33、s44、s55。
答案:错误16.应力张量【图片】与以下哪个应力张量等价（）答案:17.沿x3轴极化的压电陶瓷为4mm点群，属于四方晶系，则X3轴为四次轴绕X3轴进行四次旋转对称操作，则产生的下标变换关系为：1→2、2→-1、3→3。
答案:正确18.晶体中有8种宏观对称操作，共构成32种晶体学点群，其中11种晶体学点群具有对称中心，10种晶体学点群具有单一极轴。
电介质物理.
65oC 276oC
50Hz 3×106 Hz
6×10-4 3×10-4
1×1010 3.5×106
1.4×1011 4×106
结论：
① 与 基本相当；
②高频（2×106 Hz）下，介质损耗也是电导损耗。
电介质的损耗
无机玻璃——以共价键结合为主， s
，g
0, tan
0 r
如食盐Nacl晶体，石英，云母等。
只有e和a，r n2 , g 0
损耗主要来自电导
tan 1.81010 1 ( 1 )
0 r
f r
电介质的损耗
Nacl晶体的tan，与计算值
温度
f
tan ( m) ( m)
低频 高频
电介质在电场作用下的往往会发生电能转变为其 它形式的能（如热能）的情况，即发生电能的损 耗。常将电介质在电场作用下，单位时间消耗的 电能叫介质损耗。
电介质的损耗
电介质的损耗
在电压U的作用下，电介质单位时间内消耗的能量
电导损耗
产生原因
松弛极化 典型的为偶极子转向极化
电介质的损耗
在直流电压作用下，介质中存在载流子，有泄露电流 I R
偶极子取向极化（Dipolar Polarizability）
Response is still slower
空间电荷极化(Space Charge Polarizability)
Response is quite slow, τ is large
4. 材料的介电性
4.2 电介质的极化
4. 材料的介电性
①瓷——较常用 绝缘子 ②玻璃
③有机——复合的 陶瓷：不均匀结构，含三相①结晶相，②玻璃相，③气隙
高中物理竞赛讲义-电介质
电介质一、电介质（绝缘体）在外电场的作用下不易传导电流的物体叫绝缘体又叫电介质1、电介质的分类无外电场时，正负电荷等效中心不重合，叫做有极分子无外电场时，正负电荷等效中心重合，叫做无极分子2、电介质的极化对于有极分子，无外电场时，由于分子的热运动，分子的取向是杂乱无章的。
施加电场后，分子受到电场力作用排列变得规则。
在分子热运动和外电场的共同作用下，分子排列比较规则。
这种极化叫做有极分子的取向极化。
对于无极分子，无外电场时，分子内的正负电荷中心是重合的。
施加电场后，分子内的正负电荷受到电场力作用，各自的等效中心发生偏离。
这种极化叫做无极分子的位移极化。
对于有极分子，也会发生位移极化，只不过位移极化的效果远小于取向极化3、电介质极化的效果等效为电介质表面出现极化电荷（也叫束缚电荷），内部仍然为电中性。
表面的极化电荷会在电介质内产生与原电场方向相反的附加电场。
外加电场越强，附加电场也越强。
类比静电平衡中的导体0。
注意，电介质内部合场强不为0思考：附加电场的大小是否会超过外电场？答案：不会。
一般来说，物理反馈会减弱原来的变化，但不会出现反效果。
例如：勒沙特列原理（化学平衡的移动）、楞次定律（电磁感应）例1：解释：带电体能吸引轻小物体二、带电介质的平行板电容器1、带电介质对电容的影响假设电容器带电量Q 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷会在电容内部产生附加电场E ’，会使得极板间电场E 0减小为合电场E= E 0 - E ’ ，从而使电势差U 减小，电容C 增加。
（若无特殊说明，默认为恒电量问题）假设电容器两板电势差U 一定，电介质极化产生极化电荷，由于极化电荷的感应效果，会使得极板上带电量Q 0增加为Q ，电容C 增加。
可见电介质极化使电容增大，增大的多少与极化的强弱有关。
2、介电常数介电常数ε反映了电介质极化的能力，也就反映了电容变化的程度。
真空的介电常数014kεπ= （利用这个恒等式可以将很多电学公式用ε0表示） 空气的介电常数114'4k k εππ=≈ 经常用相对介电常数εr 来表示：某物质的相对介电常数等于自身的介电常数与真空的比值（大于1）。
大学物理 电介质
χ = εr − 1 电极化率
令 ε r = (1 + χ e ) 为相对介电常量（相对电容率）
ε = ε 0ε r ～电介质的电容率
5
四、极化电荷与自由电荷的关系
E
=
E0
−
E'=
E0 εr
E'=
εr − 1 εr
E0
d
σ'=
εr − εr
1
σ
0
Q' =
εr − εr
即 D⇒ E ⇒ P ⇒σ′ ⇒q′
9
物理意义
E
单位试验电荷 的受力
单位体积内的 P 电偶极矩的矢
量和 无物理意义， D 只有一个数学 上的定义 D = ε0E + P
= ε 0ε r E
特点
真空中关于电场的讨论都 适用于电介质：高斯定律、 电势的定义、环路定理等
各向同性均匀电介质中
P = ε0χe E ，表面束缚电荷 σ ′ = P ⋅ n ，电介质中P ≠ 0
D = (1+ χ )ε0E
ε r = (1 + χ )
ε = ε rε 0
相对电容率或相对介电常量
电容率或介电常量
D＝ε0ε r E = εE
•注意： D 是辅助矢量，描写电场性质的物理量仍为 E ,V
对于真空 χ e = 0 ε r = 1 ε = ε 0 则 D = ε 0 E
3、有电介质时的高斯定理的应用
在垂直于电场方向的两个表面上，将产生极化电荷。
4.极化电荷
在外电场中，均匀介质内部各处仍呈电中性，但在介质表 面要出现电荷，这种电荷不能离开电介质到其它带电体，也不 能在电介质内部自由移动。我们称它为束缚电荷或极化电荷。 它不象导体中的自由电荷能用传导方法将其引走。
电介质物理基础__复习纲要
电偶极子：两个大小相等的正、负电荷"^！和^)，相距为I，I较讨论中所涉及到的距离小得多。
这一电荷系统就称为电偶极子。
轴线场强中垂线场强1 ^电量^与矢径匸的乘积定义为电矩，电矩是矢量，用^表示，即11=0 ^ I "的单位是〔^①。
电介质极化：在外电场作用下，电介质内部沿电场方向产生感应偶极矩，在电介质表面出现极化电荷的现象称为电介质的极化。
束缚电荷（极化电荷在与外电场垂直的电介质表面上出现的与极板上电荷反号的电荷。
束缚电荷面密度记为0^退极化电场由极化电荷所产生的场强。
丑介电系数电容器充以电介质时的电容量〔与真空时的电容量〔0的比值为该电介质的介电系数5" ^ ^ 它是一个大于1、无量纲的常数，是综合反映电介质极化行为的宏观物理量。
平行板电容器：^ ^ 1十5^ 有效电场：实际上引起电介质产生感应偶极矩的电场称为有效电场或者真实电场，用曰6表示。
感应偶极矩与有效电场已6成正比，即^ ^扱化强度？：单位体积中电介质感应偶极矩的矢量和，即极化强度〉的宏观参数：1 ^提高介电系数1)1^个；2)0：个；3)^6个微观参数：1、感应偶极矩^ ^2、极化率0 ："^0013 (其物理含义是每单位电场强度的分子偶极矩。
越大，分子的极化能力越强。
单位是〉^2 3、极化强度〉〔单位体积中电介质感应偶极矩的矢量和，单位是0/^12 ？^ 则5 〉―&^极化系数，宏观参数第三节宏观平均场强^是指极板上的自由电荷以及电介质中所有极化粒子形成的偶极矩共同的作用场强。
对于平板介质电容器，满足：①电介质连续均匀，②介电系数不随电场0电位移0 强度的改变发生变化。
的一般定义式。
； ^ 有效电场：是指作用在某一极化粒子上的局部电场。
它应为极板上的自由电荷以及除这一被考察的极化粒子以外其他所有的极化粒子形成的偶极矩在该点产生的电场。
洛伦兹有效电场的计算模型：电介质被一个假想的空球分成两部分，极化粒子孤立的处在它的球腔中心。
电介质物理知识点总结
电介质物理知识点总结电介质是一类具有不良导电性能的材料，可用于电容器、绝缘体等应用中。
电介质物理是研究介质在电场作用下的电学性能的科学。
电介质物理是电磁场理论和介质物理学的重要组成部分。
下面我们将对电介质物理的相关知识点进行总结和展开。
1. 电介质的基本性质电介质是一种不良导电性能的材料，通常包括固体、液体和气体。
电介质的主要特点是在外电场作用下会发生极化现象。
极化是指介电极化，即在电场作用下使介质内部出现正负电偶极子的排列现象，从而使介质产生极化电荷。
常见的电介质包括空气、水、玻璃、塑料等。
2. 电介质的极化过程当电介质处于外电场中时，介质内部的正负电荷将发生位移，使介质被极化。
电介质的极化过程可分为定向极化和非定向极化两种类型。
其中，定向极化是指在介质中存在有定向的分子或离子，当外电场作用下，这些分子或离子会按照一定方向排列，这种极化过程被称为定向极化；非定向极化是指介质中的分子或离子并不具有固定的方向排列，当外电场作用下，这些分子或离子将发生不规则的排列，这种极化过程被称为非定向极化。
极化过程使介质产生极化电荷，从而改变了介质的电学性能。
3. 介质极化的类型根据介质极化的不同类型，可以将极化过程分为电子极化、离子极化和取向极化。
电子极化是指在电场的作用下，介质中的电子云将出现位移，从而使整个分子或原子产生极化；离子极化是指在外电场作用下，介质中的阴离子和阳离子将发生位移，产生极化现象；取向极化是指在电场作用下，具有一定取向的分子或离子将产生极化现象。
不同类型的极化过程会影响介质的电学性能。
4. 介质极化与介电常数介质的极化现象将改变介质的电学性能，其中介电常数是一个重要的参数。
介电常数是介质在外电场作用下的电极化能力的体现，介电常数越大，介质的电极化能力越强。
介电常数的大小将影响介质的导电性、电容性等电学性能。
5. 介电损耗介质在外电场作用下会产生能量损耗，这种现象被称为介电损耗。
介电损耗会导致介质内部的吸收能量和产生热量，从而影响介质的电学性能。
大学物理电介质教案
课时：2课时教学目标：1. 了解电介质的基本概念和特性。
2. 掌握电介质的极化现象及其对电场的影响。
3. 理解电介质中的电场强度和电位移矢量的关系。
4. 掌握电介质中的高斯定理及其应用。
教学重点：1. 电介质的极化现象及其对电场的影响。
2. 电介质中的电场强度和电位移矢量的关系。
3. 电介质中的高斯定理及其应用。
教学难点：1. 电介质的极化现象及其对电场的影响。
2. 电介质中的电场强度和电位移矢量的关系。
教学方法和手段：1. 讲授法：讲解电介质的基本概念、特性、极化现象、电场强度和电位移矢量的关系、高斯定理等内容。
2. 案例分析法：通过具体实例，帮助学生理解和掌握电介质的相关知识。
3. 互动讨论法：引导学生积极参与课堂讨论，提高学生的学习兴趣和参与度。
教学过程：第一课时一、导入1. 引入电介质的概念，强调其在电磁学中的重要地位。
2. 简要介绍电介质的基本特性和应用。
二、电介质的极化现象1. 讲解电介质在外电场作用下的极化现象，包括分子极化和电子极化。
2. 分析极化现象对电场的影响，如电介质中的电场强度减弱。
三、电介质中的电场强度和电位移矢量1. 介绍电位移矢量的概念，强调其在电介质中的重要性。
2. 讲解电位移矢量与电场强度的关系，即电位移矢量等于电场强度与电介质的介电常数之比。
四、电介质中的高斯定理1. 介绍电介质中的高斯定理，强调其在电介质中的应用。
2. 分析电介质中的高斯定理，讲解如何利用高斯定理求解电介质中的电场分布。
第二课时一、复习与巩固1. 复习电介质的基本概念、特性、极化现象、电场强度和电位移矢量的关系、高斯定理等内容。
2. 通过课堂提问，检查学生对电介质相关知识的掌握程度。
二、案例分析1. 分析具体实例，帮助学生理解和掌握电介质的相关知识。
2. 通过实例，引导学生运用所学知识解决实际问题。
三、课堂讨论1. 引导学生就电介质中的电场分布、极化现象等问题进行讨论。
2. 鼓励学生提出自己的观点，提高学生的思维能力和表达能力。
电介质物理课后答案
答：在电场作用下平板电介质电容器的介质表面上的束缚电荷所产
的、与外电场方向相反的电场，起削弱外电场的作用，所以称为
退极化电场。
退极化电场：
平均宏观电场：
充电电荷所产生的电场：
1－3氧离子的半径为 ，计算氧的电子位移极化率。
提示：按公式 ，代入相应的数据进行计算。
1－4在标准状态下，氖的电子位移极化率为 。试求出氖的
解：在交变电场的作用下，由于电场的频率不同，介质的种类、所处
的温度不同，介质在电场作用下的介电行为也不同。
当介质中存在弛豫极化时，介质中的电感应强度D与电场强度E
在时间上有一个显著的相位差，D将滞后于E。 的简单表示式
不再适用了。并且电容器两个极板的电位于真实的电荷之间产生相位
差，对正弦交变电场来说，电容器的充电电流超前电压的相角小于
因素有关？关系如何？如何提高固体电介质的热击穿电压？
答：答案参考课本有关的章节。
3－14根据瓦格纳的热击穿电压的计算公式，解释能否利用增加固体电介质
的厚度来增加固体电介质的热击穿电压，为什么？
答：答案参考课本有关的章节。
3－15简要叙述瓦格纳的热击穿理论；瓦格纳的热击穿理论的实用性如何？
答：答案参考课本有关的章节。
少？
解：真空时：
介质中：
1－19一平行板介质电容器，其板间距离 ， ，介电系数 ＝
2，外界 的恒压电源。求电容器的电容量C；极板上的自由电荷q；
束缚电荷 ；极化强度P；总电矩 ；真空时的电场 以及有效电场
。
解：
1－20边长为10mm、厚度为1mm的方形平板介质电容器，其电介质的相对
介电系数为2000，计算相应的电容量。若电容器外接 的电压，
电介质基本物理知识
第一章电介质基本物理知识电介质（或称绝缘介质）在电场作用下的物理现象主要有极化、电导、损耗和击穿。
在工程上所用的电介质分为气体、液体和固体三类。
目前，对这些电介质物理过程的阐述，以气体介质居多，液体和固体介质仅有一些基本理论，还有不少问题难以给出量的分析，这样就在很大程度上要依靠试验结果和工作经验来进行解释和判断。
第一节电介质的极化一、极化的含义电介质的分子结构可分为中性、弱极性和极性的，但从宏观来看都是不呈现极性的。
当把电介质放在电场中，电介质就要极化，其极化形式大体可分为两种类型：第一种类型的极化为立即瞬态过程，极化的建立及消失都以热能的形式在介质中消耗而缓慢进行，这种方式称为松弛极化。
电子和离子极化属于第一种，为完全弹性方式，其余的属于松弛极化型。
（一）电子极化电子极化存在于一切气体，液体和固体介质中，形成极化所需的时间极短，约为1015 s。
它与频率无关，受湿度影响小，具有弹性，这种极化无能量损失。
（二）原子或离子的位移极化当无电场作用时，中性分子的正、负电荷作用中心重合，将它放在电场中时，其正负电荷作用中心就分离，形成带有正负极性的偶极子。
离子式结构的电介质（如玻璃、云母等），在电场作用下，其正负离子被拉开，从而使正负电荷作用中心分离，使分子呈现极性，形成偶极子，形成正负电荷距离。
原子中的电子和原子核之间，或正离子和负离子之间，彼此都是紧密联系的。
因此在电场作用下，电子或离子所产生的位移是有限的，且随电场强度增强而增大，电场以清失，它们立即就像弹簧以样很快复原，所以通称弹性极化，其特点是无能量损耗，极化时间约为1013-s。
（三）偶极子转向极化电介质含有固有的极性分子，它们本来就是带有极性的偶极子，它的正负电荷作用中心不重合。
当无电场作用时，它们的分布是混乱的，宏观的看，电介质不呈现极性。
在电场作用下，这些偶极子顺电场方向扭转（分子间联系比较紧密的），或顺电场排列（分子间联系比较松散的）。
电介质和其介电特性基本介电现象
电介质理论及其应用
11
电介质在电场作用下旳主要特征
主要判据：
dI dU
dU 0 dI
电介质理论及其应用
12
电介质在电场作用下旳主要特征
在均匀电场下：如介质厚度d，介质击穿电压UB
EB
UB d
EB ——介质击穿场强，描述电介质耐电压特征旳
电介质理论及其应用
5
电介质在电场作用下旳主要特征
电导特征是任何一种材料（不论导体、半导体、 还是电介质）都具有旳电学性质，并非电介质所特 有。但不同材料在电导率旳大小上却相差很远：
例如：一般导体γ=109（S/m ）
绝缘性能良好旳电介质γ=10-18（S/m ）
相差1027倍。
导电机理有明显区别，所以对电介质电导需作 专门旳讨论。
所以： r 为温度、电场频率、电场强度旳函数； v 则为温度、电场强度旳函数。
电介质理论及其应用
9
电介质在电场作用下旳主要特征
1. 3 介质损耗
在交变电压下，因为极化，使介质中 存在电容 电流和电导电流。
对电容器而言：希望电容电流大，而引起损耗 旳电导电流小。从而引入一种新旳介质物理参数—
—介质损耗角正切tan。
➢ 光具有粒子性，一定频率旳光子具有能量h，它与介质相
互作用将能引起介质中载流子密度和电导率旳变化。
❖ 光与介质旳极化和电导特征都有着亲密旳关系。
电介质理论及其应用
23
电介质旳功能特征
❖ 光照引起电介质电导剧烈增长旳现象是最广泛旳一 种光电效应——光电导效应（Photoconduction effect）。 这是因为光子进入介质引起介质中束缚电子旳活化，产 生新旳导电载流子，使介质旳电导率增大。
电介质物理
*有极分子的极化是由于分子偶极子在外电场
的作用下发生转向的结果
----转向极化
当电压加到两块中间是真空的平行金属板上时,板上 的电荷Q0和施加电压成正比，Q0=C0V, C0称为电容。如 果两板间放入介电材料，则在相同电压下，电荷增加了 Q1，Q0+Q1=CV，电介质引起了电容量的增加。 当电介质放入电场时，电荷不可能和导体一样传 递过去，但材料内带正负电荷的各质点受电场作用将 相互位移，形成许多电偶极矩，即极化作用，结果在 材料表面感应了异性电荷，它们束缚住板上一部分电 荷，来抵消介质中产生的电荷，故在同样条件下，增 加了电荷的容量。
固有电矩μ在外电场 E 中的势能为
u 0 Ei 0 Ei Cos
如不考虑动能，且极性分子 相互作用能与单个偶极子在 热运动平衡状态下所具有的 能量相比较很小，根据玻尔 兹曼统计，偶极子与电场的 夹角在θ和θ十dθ之间的 极性分子数dn 等于：
dn Aexp(
下面来考虑固有电矩在外电场作用下的转向，从而 求出其极化率αd，在这里的初步考虑中．将忽略固有 电矩的相互作用，实际上这只适用于稀疏情况下的气 体。 气体包含大量相同的分子，而每个分子的固有电矩 为μ。在没有外电场作用时．由于热运动．这些电偶 极子的排列是完全无规则的，因而就整个气体来看， 并不具有电矩，当加上外电场 Ei 后，每个电矩都受到 力矩的作用，趋于同外场平行，即起于有序化，另一 方面热运动使电矩无序化。可见同时存在有序化和无 序化相矛盾的两个方面。在一定的温度和一定的外场 Ei 下，两方面的作用达到暂时的互相平衡。
第六章 电介质物理
本章提要
本章主要对有关电介质的基本理论：电介 质的极化、电介质中的电荷转移、电介质的电 导、损耗及击穿特性等进行介绍，以达到对电 介质的最基本的物理性质——介电性，以及电 介质的分子结构和极化机理的了解。
电介质物理--电介质物理-第1章
物质的形态：凝聚态(固态、液态)、气态、等离 子态 什么叫材料? 材料科学与工程学科的内涵 材料之分类 材料科学基础：物理化学、晶体学、材料物理 (金属物理、半导体物理、电介质物 理、…)、……
物质按输运特性分类
载流子长程运动与位移—传导、宏观电流
绝缘体 （无载流子长程运动与位移）：大部分非金属 单质与化合物
参考书
殷之文，电介质物理学(第二版)，科学出版社，北京， 2003。
钟维烈，铁电体物理学，科学出版社，北京，1996。 L.L. Hench, J.K. West, Principles of Electronic Ceramics,
John Wiley & Sons, New York, 1990.
绝缘体强调没有电荷之长程运动,电介质强调电荷之短程运动 绝缘体肯定是电介质并构成电介质之主体、然电介质不局限于绝缘体。
电介质材料的分类
P or D
P or D
P or D
Antiferroelectric hysteresis
E
电介质材料的主要应用
应用领域：
电子、通讯、计算机、家电、军事、交通、……
第5章 铁电原理 (8)
铁电体的结构、铁电体的对称性、对称性和物理性能的关系、畴结构与缺陷、结构 相变和软模、Landau唯象理论和涨落、结构相变与有序-无序
第6章 电介质材料最新进展 (6)
微波介质陶瓷、弛豫铁电材料、多铁性材料、 ……
相关课程及主要参考书
相关课程
普通物理学、矢量与张量基础 晶体学、材料科学基础
无铅压电材料 铁电薄膜 铁电体的理论计算与预测
Phase control in ferroics and multiferroics
大学物理讲稿(第6章 静电场中的导体和电介质)第四节
§6.4 电介质及其极化一、电介质的电结构电介质是通常所说的绝缘体,其主要特征是它的分子中电子被原子核束缚的很紧,介质内几乎没有自由电子,其导电性能很差,故称为绝缘体.它与导体的明显区别是,在外电场作用下达静电平衡时,电介质内部的场强不为零.电介质中每个分子都是一个复杂的带电体系,它们分布在线度为10-10m数量级的体积内.在考虑介质分子受外电场作用或介质分子在远处产生电场时,都可认为其中的正电荷集中于一点,称为正电荷中心,而负电荷集中于另一点,称为负电荷中心,它们可看成电偶极子.据介质中正、负电荷中心在正常情况下是否重合将电介质分为两类：有极分子电介质和无极分子电介质.像氢(H2)、氦(He)等,在正常情况下,它们内部的电荷分布具有对称性,它们分子的正、负电荷中心重合,其固有电矩为零,这类分子称为无极分子；象氯化氢(HCl)、水(H2O)等,在正常情况下,它们内部的电荷分布不对称,因而分子的正、负电荷中心不重合,存在固有电矩,这类分子称为有极分子.但由于分子热运动的无规则性,在物理小体积内的平均电偶极矩仍为零,因而也没有宏观电偶极矩分布(对外不显电性).二、电介质的极化当无极分子电介质处在外电场中时,由于分子中的正负电荷受到相反方向的电场力的作用,因而正负电荷中心将发生微小的相对位移,从而形成电偶极子,其电偶极矩沿外电场方向排列起来,使∑p i≠0,见图 6.6(a).这时,沿外电场方向电介质的前后两侧面将分别出现正负电荷.但这些电荷不能在介质内自由移动,也不能离开电介质表面,称其为束缚电荷.这种在外电场作用下,使介质呈现束缚电荷的现象,称为电介质的极化现象.无极分子的上述极化则称为位移极化.当有极分子电介质放在外电场中时,各分子的电偶极子受到外电场力偶矩的作用,都要转向外电场的方向排列起来,也使∑p i≠0.但由于分子的热运动,这种分子电偶极子的排列不可能十分整齐.然而从总体上看,这种转向排列的结果,使电介质沿电场方向前后两个侧面也分别出现正负电荷,见图 6.6(b).这也是一种电介质的极化现象,称为有极分子电介质的取向极化.当然,有极分子也存在位移极化,只是有极分子的取向极化起主导作用.综上所述,不论是无极分子电介质,还是有极分子电介质,在外电场中都会出现极化现象,产生束缚电荷.三、电极化强度矢量为了描述电介质的极化程度,引入电极化强度矢量P ,其定义为Vp V P i ∆→∆=∑ϖϖ0lim (6.22) 即电极化强度矢量P 是单位体积内分子电矩矢量和.当外电场越强时,极化现象越显著,单位体积内的分子电矩矢量和就越大,极化强度P 就越大.反之,外电场越弱,极化现象不显著,单位体积内的分子电矩矢量和就越小.可见,电极化强度矢量P 可以用来描述电介质的极化程度.式(6.22)给出的极化强度是点的函数,一般来说,介质中不同点的电极化强度矢量P 不同.但对于均匀的无极分子电介质处在均匀的外电场中,np P = ,其中n 是介质单位体积内的分子数, p 是极化后电介质每个分子的电矩矢量.在国际单位制中,电极化强度矢量P 的单位为库仑/米2(C/m 2)§6. 5 电位移矢量 有介质时的高斯定理一、极化强度与束缚电荷的关系由于束缚电荷是电介质极化的结果,所以束缚电荷与电极化强度之间一定存在某种定量关系.为方便讨论,现以无极分子电介质为例来讨论,考虑电介质内某一小面元 dS ,设其电场E 的方向(因而P 的方向)与dS 的法线方向成θ角(如图6.7所示),由于E 的作用,分子的正负电荷中心将沿电场方向拉开距离l .为简化分析,假定负电荷不动,而正电荷沿E 的方向发生位移 l .在面元dS 后侧取一斜高为l ,底面积为dS 的体元dV .由于电场E 的作用,此体元内所有分子的正电荷中心将穿过dS 面到前侧去.以q 表示每个分子的正电荷量,则由于电极化而越过dS 面元的总电荷为S d P qnldS qndV dq ϖϖ⋅=θ==cos ' (6.23)式中n 是单位体积的分子数.那么由于极化穿过有限面积S 的电荷为 ⎰⎰⋅=SS d P q ϖϖ'若S 是封闭曲面,则穿过整个封闭曲面的电荷 ⎰⎰⋅=Sout S d P q ϖϖ'因为电介质是电中性的,据电荷守恒定律,则得由电介质极化而在封闭面内净余的束缚电荷为).('int 246⎰⎰⋅-=-=S out Sd P q q ϖϖ (6.24)若在(6.23)式中,dS 是电介质的表面,而n e ϖ是其外法向单位矢,则(6.23)式就给出了在介质表面由于电介质极化而出现的面束缚电荷σ'为n n P e P P dSdq =⋅=θ==σϖϖcos '' (6.25) 式(6.24)和式(6.25)就是由于介质极化而产生的束缚电荷与电极化强度的关系.从(6.24)可以看出,在均匀外电场中,均匀电介质内部的任何体元内都不会有净余束缚电荷,束缚电荷只能出现在均匀电介质的表面,但对非均匀电介质,电介质内部也有束缚电荷分布.二、电介质中的高斯定理 电位移矢量D有电荷就会激发电场,所以电介质中某点的总电场E 应等于自由电荷和束缚电荷分别在该点激发的场强'E E ϖϖ和0的矢量和,即'E E E ϖϖϖ+=0 (6.26)考虑了由于电介质的极化而出现的束缚电荷,介质也可以看成真空.现我们把真空中电场的高斯定理推广到电介质的电场中,则有)'(int q q S d E S+ε=⋅⎰⎰01ϖϖ 其中q 是闭面S 内的自由电荷代数和, int 'q 是闭面S 内的束缚电荷代数和.由于介质中的束缚电荷难以测定,为此把上式中的束缚电荷int 'q 用可测的物理量P 来表示,把(6.24)式代入上式并运算得 q S d P E S=⋅+ε⎰⎰ϖϖϖ)(0定义电位移矢量P E D ϖϖϖ+ε=0 (6.27)在国际单位制中D 的单位同于P 的单位为C/m 2 .引入电位移矢量后高斯定理便为 q S d D S=⋅⎰⎰ϖϖ (6.28)这便是电介质中的高斯定理.它是静电场的基本定理之一.它表明,电位移矢量D 的闭面通量等于闭面内的自由电荷代数和,与束缚电荷无关.同于E 的高斯定理,当电荷具有某种对称性时,选择适当的高斯面,可很容易求出电位移矢量D ,进而便可求出电场强度E 的分布.电位移矢量D 的定义式(6.27)给出了电位移矢量D 与电场强度E 及电极化强度P 的关系,这一关系称为介质的性能方程.对于各向同性线性电介质,实验指出,介质中每一点的极化强度P 与该点的总电场强度E 成正比且方向相同,即E P ϖϖ0χε= (6.29)式中χ为电极化率,它只与电介质中各点的性质有关,对于均匀介质χ便是常量,此时电位移矢量E E E D r ϖϖϖϖε=εε=χ+ε=001)( (6.30)其中r ε称为相对介电常数,ε称为绝对介电常数(也叫电容率)可见,对于各向同性均匀电介质,D 与E 有简单的正比关系,当0ε=ε时,就回到了真空情形.所以在上章介绍的好些关系中,将0ε换为ε就可将其推广到各向同性均匀电介质中来.比如库仑定律在无穷大各向同性均匀电介质中的形式为r r q q F ϖϖ32141πε= 再如,两极板间是介电常数为ε的平行板电容器的电容为dS C ε= 例6.3如图6.8所示,半径为R 的球型导体,带电量为Q,相对电容率为r ε、厚度为R 的电介质球壳同心的包围着导体球,求电场、电势在空间的分布规律.解：由于带电系统的球对称性,E 将是球心O 至场点的距离r 及各区间介质的相对电容率的函数,应用电介质中的高斯定理式(6.28)易得⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧>πε<<επε<=)()()()(R r r Q R r R rQ R r r E r 242402020ϖ E 的方向沿径向.由结果可知,由于电介质极化而出现的束缚电荷所激发的电场E' 削弱了原来的电场E 0,因而介质中的总场强E 比没有电介质时的场强E 0 为小.由电势与场强的关系可得电势的分布当r>2R 时, rQ dr r Q V r 020144πε=πε=⎰∞当R<r<2R 时, )(R R r Q dr r Q dr r Q V r r R Rrr 2121144402202202+ε-επε=πε+επε=⎰⎰∞ 当 r<R(即导体内) 时,其电势等于导体球面的电势)(11803+επε=rR Q V 作业（P142）：6.16。
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e v0 kT
2
其中 e 为限制局域电子跃迁的势垒高度， 为两个施主电离中 心之间的平均距离，v 0 为电子在电离中心内的局域振动频率。
2013年春
（3）电子电导的特点
电介质材料的电子电导要比离子电导复杂得多。大部分电介质 的电子电导的温度关系也像离子电导一样遵循指数关系
u0 kT
v Gv d A,
Gv 1 Rv
pv Rv A d
v 1 pv
2013年春
在恒定电压的作用下，流过固体电介质的电流是时间的函数。 在一般情况下，有以下几种电流需要考虑：
①介质极化的快速响应部分引起的充电电流
②介质极化的缓慢响应部分引起的充电电流 ③吸收电流
④不随时间而变的漏导电流
复合缺陷本身在晶体中的迁移率相当低，它们对电导的 贡献常常可以略去。但是，复合缺陷在热离解后对于材 料的电导有贡献，因此影响材料电导率随温度的变化。
2013年春
晶体中杂质缺陷载流子的数量主要取决于材料的化学纯度以 及掺杂量，与温度无关。 对于许多实际材料，自然引入的杂质含量通常是以基质原子 数的10-6(ppm)计。对于经特殊纯化的物体，杂质含量则以 10-9 (ppb)计。 总结： 高纯物体的杂质载流子数仍然远离于环境温度下的热缺陷本征 载流子。因此物体在室温的离子电导主要取决于杂质含量。
精细陶瓷
熔融石英
50°
27°
4-5
7
1×1016
1×1017
1×1013
6.5×1010
2013年春
二、 固体电介质的击穿
1. 概述
固体电介质的击穿就是在电场作用下伴随着热、化学、 力等等的作用而丧失其绝缘性能的现象
2013年春
固体电介质击穿的特点： 一是固体介质的击穿强度比气体和液体介质高 二是固体通常总是在气体或液体环境媒质中
反之，如果基质或者杂质是禁带比较窄、能带结构复杂的过 渡金属氧化物，不仅要考虑到材料本身的能带结构，而且还 要考虑到杂质引起的晶格点缺陷的情况。举例：N,P型电导。
2013年春
③注入载流子
肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注入机制： 载流子由金属电极注入到电介质内部
2013年春
e E 4
2013年春
（1）离子电导的载流子
①本征缺陷载流子 ②杂质缺陷载流子 ③质子
2013年春
①本征缺陷载流子
离子晶体中，束缚在晶格结点上的正、负离子在一般情况 下是不能参与导电的。 只有少量因热缺陷而产生的，脱离格点的填隙离子及空格 点的正负离子才能够在电场的作用下作定向运动，参与导 电过程。它们就是本征缺陷载流子。 离子晶体中的热缺陷主要有肖特基（Shottky）缺陷和弗兰 克尔（Frenkel）缺陷两种。
4.47
4.79 7.18 — — — 0.66 0.44
4.23
4.60 6.91 — — — 0.85 —
3. 电子电导
电介质可以看成是一种宽禁带的半导体，禁带宽度大于 3~5eV。 电介质的电子电导主要是由杂质本身以及由杂质形成的 各种缺陷，特别是俘获了电子或空穴的各种复合缺陷在 电场作用下发生电离造成的。此外，由外部电极注入材 料内部的电子所产生的影响也是不可忽视的。
漂移电子的迁移率
e e * m
2013年春
在电介质中，可动电子将使其周围的媒质发生极化，并使 其周围的晶格发生局部畸变。电子能量降低，“自陷”。
这种电子连同被它所极化了的周围媒质称为极化子，简称极 子(Poalron) 如果晶格的极化范围仅限于一个晶格常数，那么这种极子就称 为小极子。而如果极化区域扩展到几个晶格常数的区域，则称 为大极子。在许多电介质中，小极子对电流传导的作用是最重 要的。 极化子相当于有效质量很高的电子在金属中的漂移速度。
2013年春
（1）电子电导的载流子
①本征载流子 在典型的电介质中，本征电子电导并不重要 ②非本征载流子 电介质中参与电流传导的可动电子和空穴主要是由杂质 引入的 ③注入载流子 肖特基注入和隧道注入是最主要的载流子注入机制
2013年春
②非本征载流子
杂质对于材料电子结构的影响取决于基质和杂质本身的电子 结构。 对于金属氧化物来说，如果基质和杂质本身的禁带都很宽， 而且杂质并没有在晶格中产生点缺陷（相当于等价代换）， 那么掺杂不会使材料的电子结构发生明显的改变。
3
12
当电场较弱时，金属电极中的自由电子可以通过隧道效 应穿过金属-电介质界面处的势垒，直接注入到电介质中
当xm（势垒半宽度）非常小，以致与电子相关的德布罗 意波的波长相当时，电子便能通过隧道效应穿过高势垒 注入到电介质中。
2013年春
（2）电子的迁移率
可动电子与空穴，在电介质内部参与电流传导过程时， 可以分成两种运动类型: 漂移运动（Drift movement）和 跳跃运动（Hop-ping movement）。
（2）导电离子的迁移率
各种离子型载流子在电场作用下的运动是一种在热激活下 越过势垒的定向漂移。
某一种载流子的迁移率是： 单位电场作用下，该类载流子在电场方向的平均迁移速率。
2013年春
在固体中，离子型载流子的迁移率：
u u0 e
us KT
2
q u0 v0 kT
其中 u s 为载流子的活化能，即限制载流子跃迁的势垒高 度，q为载流子的等效电荷， 为载流子跃迁时平均步长， v0 为载流子在势阱中的局域振动频率
2013年春
碱卤晶体中的活化能计算值（eV）
晶体 活化能类型 NaCl KCl KBr
正离子的晶格结合能
负离子的晶格结合能 正、负离子对的晶要和结合能 正离子扩散活化能 负离子扩散活化能 填隙离子扩散活化能 正、负离子空格点的结合能 正、负离子空格点的扩散活化能
2013年春
4.62
5.18 7.94 0.51 0.56 2.9 0.89 0.38
第4章 电介质物理
4.6 固体电介质的电导与击穿 4.7复介电常数和介电谱的实验研究
2013年春
4.6 固体电介质的电导与击穿
1. 概述
4.6.1固体电介质的电导
2. 离子电导 3. 电子电导 4．表面电导 1. 概述 2、电击穿 3、热击穿 4、局部放电击穿
4.6.2 固体电介质的击穿
2013年春
2013年春
③
质子
质子是含有氢键物体中所特有的一种载流子。
在特殊情况下，质子可以在玻璃、聚合物等无定形物体中 传导电流。 质子电导与物体所吸附的水分有很大关系，并且对物体的 表面电导影响很大。 许多聚合物在98%相对湿度下，保持15-20天后，材料的表 面电导和体积电导可能增大2~15个数量级。
2013年春
2013年春
电导的分类（按载流子）
①离子电导或电解电导 ②离化分子电导或电泳电导 ③电子电导
2013年春
2. 离子电导
法拉弟电解实验 固体电介质中离子电导的直接实验证据是利用法拉弟电解 实验给出的，把被考察的试样放在两个电极之间，长时间 地加上直流电压并记录其流过的电量。 根据流过的电量以及电极和试样在通电前后的重量变化就 可以得出传导离子及其数量的结果。 举例：在AgCl中，电导主要是由Ag+正离子提供的
边缘效应： 对固体进行击穿试验时，击穿往往发生在 击穿强度比较低的气体或液体环境媒质中 三是固体介质的击穿一般是破坏性的，击穿后在试样 中留下贯穿的孔道、裂纹等不可恢复的伤痕。
2013年春
2、电击穿
当固体电介质承受的电压超过一定的数值VB时，就使 其中相当大的电流通过，使介质丧失绝缘性能，这个 过程就是电击穿。 击穿场强
T=1000k
ns N 10
11
2013年春
②杂质缺陷载流子
实际电介质材料中总是不可避免的存在着杂质的。有时候， 为了改进材料的某些性质还有意地添加各种类型的杂质， 称为掺杂改性。
为何利于电导？
杂质离子在晶格中产生点缺陷，破坏了晶格内部势场分布， 从而使得晶格中的载流子易于在电场的作用下运动，增大 电介质的电导；异价杂质离子还将在晶体中产生新的载流 子，使材料的电导大幅度地上升。
综上，由异价杂质形成的这些点缺陷以其等效荷电量在电 场作用下定向漂移，从而对材料的电导作出贡献。
2013年春
当晶体中的点缺陷浓度较高时，一部分带有异号电荷的 点缺陷之间，或者与电子、空穴之间可能通过静电库仑 相互作用缔合在一起形成复合缺陷。
Ca V
Na
/ Na
Al
'
si
Na
i
b G s rs , a
a Rs s b
其中
rs
是表面电导率
2013年春
2013年春
材料
湿润角
莫氏硬 度
s
相对湿度0% 相对湿度98%
聚四氟乙烯
聚苯乙烯 有机玻璃
113°
98° 73°
1-2
2 2-3
5×1017
5×1017 5×1016
5×1017
5×1016 1.5×1016
5、其它击穿机制
电介质的电导
比较几组数据：
绝缘体Eg：>3-5ev 理想晶体：当Eg=0.6ev时，得到n=1012/cm3; 那么，当Eg=5ev时，得到n=10-20/cm3 电介质不是理想的绝缘体，总存在少量载流 子，每种载流子提供的电导率为：？？
2013年春
4.6.1固体电介质的电导
2013年春
正常离子晶体的局部区域永远都是电中性的，正负电荷总量相等 异价离子本身或由其形成的空格点或填隙离子则不同，它 们本身的电荷量偏离了保持晶格电中性所要求的荷电量， 因而使得晶格的局部区域荷电。 举例：Ca2+占据Na+